Mx magnetométer

Az Mx- magnetométer az optikai kvantummagnetométerek legelterjedtebb típusa, amely alkálifémgőzökön ( cézium , rubídium , kálium ) működik .

Hogyan működik

Szobahőmérsékleten az atomok hőenergiája sokkal nagyobb, mint az alapállapot energiáinak különbsége - , ezért a Boltzmann -eloszlás szerint minden szint populációja azonos, lásd az Rb87 rubídium atomjainak sémáját. Amikor az atomok kölcsönhatásba lépnek egy atomi gázban cirkuláris polarizációjú optikai mezővel, az atomok populációjának nem egyensúlyi eloszlása jön létre az alapállapotok Zeeman-alszintjei között. Ennek eredményeként az atomgáz polarizálódik, és mágneses momentuma van . $kT$ $\Delta E$ $(kT\ll \Delta E)$ ${\displaystyle \sigma ^{+))$ $\mu$

Ismeretes, hogy az állandó mágneses térbe helyezett mágneses momentum frekvenciával kezd precesszálódni . Ezt a viselkedést a Bloch-egyenletek írják le . ${\megjelenítési stílus B_{o))$ $\omega _{L}=\gamma B_{o}$ $\mu$

Az Mx-magnetométerben a lézersugár 45 fokos szögben terjed a mért mágneses tér irányához képest . A mezőn kívül egy kis oszcilláló mezőt is alkalmaznak rá merőlegesen . Ez a mező atomok (pörgetések) fázisát állítja elő a Bo mező körül a mágneses momentum frekvenciájával . A mágneses momentum vetülete a precesszáló polarizációjú fény terjedési irányára mindaddig állandó marad, amíg a mezőt be nem kapcsoljuk . Ennek a mezőnek a bevonása a Zeeman-alszintek közötti populáció változásához vezet, és ennek eredményeként ez a mező a mágneses momentum vetületének abszorpciós modulációját okozza , amelyet a fotodetektor rögzít, majd felerősít, a jelet. fázisát a fázisváltó korrigálja, és a rádiófrekvenciás tekercsre táplálja. Ez pozitív visszacsatolási hurkot hoz létre. Miután felvették a jel fázisát, a Larmor precesszió frekvenciáján térgenerálást érnek el . Ezt a frekvenciát frekvenciamérővel mérik, és az értékéből határozzák meg a mágneses mező értékét. ${\megjelenítési stílus B_{o))$ ${\megjelenítési stílus B_{o))$ $B_{RF}(t)$ $B_{RF}(t)$ $\omega _{L}$ $B_{RF}(t)$ $B_1$ $\omega _{L}$

Magnetométer érzékenysége

$\delta B$ A magnetométer érzékenységét a _ _ összefüggés határozza meg _ _ _ $\delta B={\frac {\kappa }{\gamma }}{\frac {N\Gamma }{S)),$ $\Gamma$ $S$ $\gamma$ $N$ $\tau$ $\kappa$

$\delta B^{short}=\kappa {\frac {\Gamma }{\gamma }}{\frac {\rho }{S}}{\frac {1}{\sqrt {2\pi \ tau }}}$

$\rho$ a lövészaj sűrűsége , Abban az esetben, ha a detektor fotoáramában a kvantumzaj dominál , ez így néz ki:

$\delta B^{quant}={\frac {1}{\gamma }}{\frac {1}{\sqrt {N_{a}{T_{2}}\tau }}}$

$T_{2}$ az atom polarizációjának keresztirányú relaxációs ideje

A lézer (Fényforrás) rezonáns fénye az atomokat az alapállapot szintjeire pumpálja . A lézerfény lineáris polarizációját egy fázislemez segítségével körpolarizációvá alakítják át . Emiatt a Zeeman-alszintek nem egyensúlyi populációja nagy impulzus-projekciójú szinteken halmozódik fel . A fényterjedési vektort és a mért mágneses tér irányát egymáshoz képest 45 fokos szögben elforgatjuk (kék nyíl). A rádiófrekvenciás mező a mezőre merőlegesen kapcsol be . A cellán áthaladó fény áteresztését ez a mező modulálja és egy fotodióda rögzíti . $5S_{1/2},F=2$ $\lambda/4$ ${\displaystyle \sigma ^{+))$ $m_{F}$ ${\megjelenítési stílus B_{o))$ ${\megjelenítési stílus B_{o))$ $B_{RF}(t)$

A fény mező általi modulációja két folyamat miatt következik be: az abszorpció változása miatt, amely a populáció egyik Zeeman-alszintről a másikra való átvitele miatt következik be, és a fény és az atom közötti kölcsönhatás valószínűségének modulációja a keletkezés következtében. közöttük lévő kvantumkoherenciáról. $B_{RF}(t)$

A rezonancia szélességét különféle relaxációs folyamatok határozzák meg [2] :

ütközések sejtfalakkal, puffergázok molekuláival és atom-atom ütközések
mind az optikai, mind a rádiófrekvenciás mezők által okozott mező kiszélesedése;
az optikai térrel való kölcsönhatás véges ideje, amelyet az atomoknak az optikai tér keresztmetszetén való áthaladása határozza meg

Jegyzetek

↑ S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker, R. Wynands és A. Weis, Eur. Phys. J. D 38, 239-247 (2006), DOI: 10.1140/epjd/e2006-00037-y
↑ A. K. Vershovsky, Új kvantumrádió-optikai rendszerek és módszerek gyenge mágneses terek mérésére, értekezés a Fizikai és Matematikai Tudományok Doktori fokozatához, Intézet. A. F. Ioffe, Szentpétervár, 2007

Irodalom

Georg Bison, Optikai kardiomagnetométer fejlesztése, 2. fejezet. Optikai kardiomagnetométer optimalizálása és teljesítménye, der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen FakultÄat der UniversitÄat Freiburg in der Schweiz, Nummer der Dissertation: 1450 UniversitÄatsdruckerei Freiburg, 2004
D. Budker, W. Gavlik, DF Kimball, SM Rochester, VV Yashuchuk és A. Weis, Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms, Review of Modern Physics, V. 74 1153–1201 (2002)
Dmitry Budker és Michael Romalis, Optikai magnetometria, Nature physics, v.3 227–234 (2007)
S. Groeger, G. Bison, J.-L. Schenker. R. Wynands és A. Weis, A nagy érzékenységű lézerrel pumpált Mx magnetométer, Eur. Phys. J. D, v. 38, 239-247 (2006)
optikai magnetometria. szerkesztők: Dmitry Budker, Derek F. Jackson Kimball,

Cambridge University Press, KÖZZÉTÉTEL: 2013. április, ISBN 9781107010352